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探測到引力波:天文觀測不一定要用望遠鏡

在過去的近10年時間裡,儘管圈子非常小,但一個全新的天文學領域的確正逐漸出現,那就是引力波天文學。和傳統天文學使用天文望遠鏡對宇宙進行觀測不同, 引力波探測器使用的是激光和反射器,研究人員會讓激光在兩塊呈直角方位的反射鏡之間來回,並觀察兩束光波疊加時所呈現的干涉條紋特徵。這正是位於美國的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)所採用的做法。

時空中的漣漪

當愛因斯坦最早提出他的廣義相對論的時候,他徹底革新了我們原先對於時間與空間的概念理解。我們此前一直認為空間是恆定而不變的,物質和能量存在於其中。但愛因斯坦的理論指出空間實際上與能量和質量之間都是相互聯繫的,並且隨著時間推移空間也在發生變化。如果只存在一個質量物體,靜止地存在於時空之中(或者處於勻速運動狀態),那麼它所處的時空不會發生變化。但如果你加入第二個質量物體,那麼這兩個物體之間就會發生相互運動,互相會向對方施加一個加速度,在這一過程中也就將造成時空結構的改變。更加重要的是,由於存在一個大質量粒子在引力場中運動,廣義相對論指出這一大質量物體將會被加速,並釋放一種特殊的輻射:引力輻射。

這種引力輻射與你所知的其他任何種類的輻射都不同。它會以光速穿越空間,但它本身又是空間中的漣漪。它從被加速的物體帶走能量,這就意味著,如果這兩個質量物體處於相互運行的軌道之中,那麼隨著時間推移這個軌道將會逐漸收縮,這兩個質量物體之間的距離將逐漸縮短。不過不要太過擔心,對於像地球圍繞太陽運行這樣一個系統,相對而言這兩個天體的質量還太小,而兩者之間的距離又非常巨大,因此在引力波耗散能量的條件下,這個軌道也將需要經過10的150次方年才會衰減崩潰,如此長的時間早已遠遠超過了宇宙的年齡,事實上這也遠遠超過了已知所有恆星的壽命!然而對於相互繞轉的黑洞或中子星而言,它們之間存在的軌道衰減效應則已經被觀測到了。

不需望遠鏡的天文研究法

從本質上而言,“先進LIGO”系統採用的探測手法是相當簡單而直接的,它利用了引力波輻射的本性和它最重要的性質之一。引力波會造成空間的拉伸或壓縮,其頻率和強度取決於形成這種引力波的天文事件所具有的一系列特徵,如兩個相互繞轉天體各自的質量大小、它們兩者之間的間距以及這一系統距離地球的遠近。“先進LIGO”設施包括兩條互相垂直的長臂,長度均為4公里。將一束激光用分光鏡分成夾角為90度的兩束,然後兩束激光分別被4公里外的反射鏡反射回來並發生干涉,並且這樣的反射可以來回進行多次,從而大大增加激光運行的路徑長度。由於頻率和波長完全一致,在正常情況下,這兩束激光應該是完全相同的,但是如果存在引力波作用,則會對這兩束激光的波長頻率產生影響,從而導致兩束激光在疊加的干涉條紋上出現改變。這樣的改變將能夠讓科學家們判斷兩個繞轉天體各自的質量大小、它們之間的間距以及這玩意系統到地球之間的距離等豐富的信息。

引力波的發現我們再次確認愛因斯坦是對的,引力輻射是真實存在的,並且黑洞的合併過程的確會產生這樣的引力輻射,而更重要的是,這樣的引力輻射信號是可以被從地球上探測到的。這將是一個全新的天文學領域,一個不需要望遠鏡的新的天文學領域,它將引領我們打開理解黑洞、中子星和其他難以採用傳統方法進行觀測的天體類型的全新視野。

難怪瑪雅文明的天文成就也能如此之高。
(原文略有刪截)

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